Schlagwerk mit elektrodynamischem Linearantrieb
Die Erfindung betrifft gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 ein Schlagwerk mit einem elektrodynamischen Linearantrieb.
Bohr- und/oder Schlaghämmer (nachfolgend als Hämmer bezeichnet) werden üblicherweise durch Elektromotoren angetrieben, bei denen ein Rotor eine Antriebswelle dreht. Die Drehbewegung wird in eine oszillierende Linearbewegung gewandelt, die einem Antriebselement in einem Schlagwerk zu- geführt wird. Als Schlagwerk eignet sich dabei insbesondere ein Luftfederschlagwerk, in dem ein als Antriebselement dienender Antriebskolben hin- und herbewegt wird.
Aus der DE 102 04 861 Al ist ein Luftfederschlagwerk für einen Hammer bekannt, bei dem ein Antriebskolben durch einen elektrodynamischen Linearantrieb antreibbar ist. Der Antriebskolben ist mit einem Läufer des Linearantriebs gekoppelt, so dass die lineare Hin- und Herbewegung des Läufers auf den Antriebskolben übertragen wird. Die Bewegung des Antriebskolbens wiederum wird - wie bei Luftfederschlagwerken üblich - über eine Luftfeder auf einen Schlagkolben übertragen, der gegen ein Werkzeugende oder einen zwischengeschalteten Döpper in bekannter Weise schlägt.
Bei einem derartigen linearen elektromagnetischen Antriebssystem müssen der Läufer und der damit gekoppelte Antriebskolben jeweils bei Erreichen ihrer Extremstellung abgebremst werden, um die Bewegungsrichtung wechseln zu können. Nur dann ist ein oszillierender Schlagbetrieb möglich. Beim Abbremsen kann zwar ein Teil der Bewegungsenergie als elektrische Energie in einen Zwischenkreis zurückgespeist werden. In den Spulen des den Läufer umgebenden Stators entsteht jedoch Verlustwärme, die den Wirkungs- grad des Schlagsystems verschlechtert. Zudem muss die Verlustwärme mit Hilfe einer geeigneten Kühleinrichtung abgeführt werden.
Vorteilhaft ist es daher, die kinetische Energie der aus dem Läufer und dem Antriebskolben bestehenden Antriebseinheit in einer Feder zwischenzuspei- ehern, so dass sie nach Umkehren der Bewegungsrichtung für die Gegenbewegung zur Verfügung steht und die elektromagnetische Antriebskraft des Linearantriebs unterstützt.
Aus der EP 0 718 075 Al und der DE 24 19 164 Al ist jeweils ein elektrodynamischer Antrieb für ein Schlagwerk bekannt, bei dem eine Rückbewegung eines Schlagkolbens durch eine mechanische Schraubenfeder als Endanschlag aufgefangen wird. Bei der erneuten Vorwärtsbewegung des Schlagkol- bens gibt die Schraubenfeder die gespeicherte Energie ab und unterstützt somit die Vorwärts- bzw. Schlagbewegung. Die beschriebenen Schlagwerke sind jedoch keine Luftfederschlagwerke und weisen keine Trennung zwischen einem Antriebskoben und einem Schlagkolben auf.
Bei den Schraubenfedern besteht zudem der Nachteil, dass sie aufgrund der hohen Anstoßgeschwindigkeiten brechen können. Zudem entstehen nicht unerhebliche Schwinggeräusche. Außerdem kann bei einer zu schwachen Dimensionierung der Schraubenfeder bei entsprechend hoher Anstoßgeschwindigkeit des Schlagkolbens ein Blocksetzen der Feder erreicht werden, was zu einer Beschädigung des Schlagwerks führen kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schlagwerk mit einem elektrodynamischen Linearantrieb anzugeben, bei dem eine zum Umkehren der Bewegungsrichtung einer linear bewegten Antriebseinheit dienende elektro- magnetische Antriebskraft unterstützt wird, ohne dass die bei anderen Schlagwerkstypen auftretenden Nachteile in Kauf genommen werden müssen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Schlagwerk nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüche angegeben.
Ein erfindungsgemäßes Schlagwerk weist einen elektrodynamischen Linearantrieb, ein von dem Linearantrieb in einem Schlagwerksgehäuse hin- und herbewegbares Antriebselement, ein Schlagelement zum Schlagen gegen ein Werkzeug und eine zwischen dem Antriebselement und dem Schlagelement wirksame Koppeleinrichtung auf, über die die Bewegung des Antriebselements auf das Schlagelement übertragbar ist. Das Schlagwerk ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass, in Schlagrichtung gesehen, wir- kungsmäßig vor und /oder hinter dem Antriebselement ein Reversier-Hohl- raum vorgesehen ist, und dass der Reversier-Hohlraum wenigstens zeitweise von der Umgebung trennbar ist, derart, dass in dem Reversier-Hohlraum
eine gegen das Antriebselement und/oder gegen das Schlagelement wirkende Reversier-Luftfeder erzeugbar ist.
Dementsprechend wird erfindungsgemäß vorgesehen, dass vor und/oder hinter dem Antriebselement im Betrieb des Schlagwerks eine Luftfeder erzeugt werden kann. Diese so genannte Reversier-Luftfeder wird durch die Bewegung des Antriebselements aufgeladen bzw. "gespannt" oder komprimiert, wenn sich das Antriebselement in Richtung der Luftfeder bzw. des sie aufnehmenden Reversier-Hohlraums bewegt. Bei einer Umkehrung der Li- nerarbewegung des Antriebselements bewirkt der in der Reversier-Luftfeder dann herrschende Luftdruck eine Kraft auf das Antriebselement, die die Umkehrung der Bewegungsrichtung unterstützt und das Antriebselement in die Gegenrichtung beschleunigt.
Es ist dabei nicht zwingend erforderlich, dass die Reversier-Luftfeder tatsächlich räumlich axial vor oder hinter dem Antriebselement angeordnet ist. Der tatsächliche Ort der in dem Reversier-Hohlraum befindlichen Reversier- Luftfeder ist vielmehr beliebig. Es kommt jedoch darauf an, dass die Kraftwirkung der Reversier-Luftfeder auf das Antriebselement (bzw. das Schlage- lement) übertragen werden kann bzw. dass umgekehrt die Aufladung der Reversier-Luftfeder durch das Antriebselement (Schlagelement) möglich ist.
Luftfedersysteme haben sich im Schlagwerksbereich bewährt und besitzen eine sehr hohe Zuverlässigkeit. Bei entsprechender Auslegung besitzen sie einen guten Wirkungsgrad. Ein vollständiges Zusammendrücken der Luftfeder und damit eine stoßartige Festkörper-Belastung der relativ zueinander bewegten, den Hohlraum bildenden Bauelemente kann aufgrund der Pro- gressivität der Federkennlinie (vor allem im Endbereich) vermieden werden. Die Baulänge der Reversier-Luftfeder kann dementsprechend kürzer ausfal- len als dies bei linearen Metallfedersystemen (Schraubenfedern) der Fall ist. Zudem erzeugen Luftfedern weniger Schall.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Antriebselement mit einem Läufer des Linearantriebs verbunden und bildet mit dem Läufer eine integrierte Antriebseinheit. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn das Antriebselement den Läufer trägt oder im Wesentlichen vollständig durch den Läufer gebildet wird, so dass der Läufer gleichzeitig die
Funktion des Antriebselements übernimmt.
Der Linearmotor kann ein geschalteter Reluktanzmotor (SR-Motor) sein und weist im Bewegungsbereich des Läufers mehrere Antriebsspulen (Stator) auf, die entsprechend der gewünschten Bewegung des Antriebselements geschaltet werden. Es sei darauf hingewiesen, dass als Linearmotor im Zusammenhang mit der Erfindung auch ein elektrodynamischer Antrieb, z. B. in Form einer einzelnen elektromagnetischen Spule, angesehen wird, die als Antriebsspule für das Antriebselement dient. Die Rückbewegung des Antriebse- lements kann dann z. B. ausschließlich über eine Reversier -Luftfeder erfolgen, die in einem vor dem Antriebselement vorhandenen Reversier-Hohlraum erzeugbar ist.
Bei einer Ausführungsform wird die Koppeleinrichtung durch einen zwi- sehen dem Antriebselement und dem Schlagelement wirksamen Anschlag gebildet. Durch den Anschlag kann direkt die Antriebsbewegung des Antriebselements auf das Schlagelement übertragen werden. Dabei ist eine Variante möglich, bei der die Koppeleinrichtung durch zwei Anschläge gebildet wird, die das Schlagelement entsprechend der Bewegung des Antriebselements hin- und herbewegen.
Vorzugsweise ist die Koppeleinrichtung als ein zwischen dem Antriebselement und dem Schlagelement in wenigstens eine Richtung wirksames elastisches, insbesondere federelastisches Element ausgebildet. Dadurch ist es möglich, die Geräuschemission und die mechanischen Belastungen der beteiligten Bauteile zu verringern. Als elastisches Element kann eine später noch erläuterte Koppel -Luftfeder verwendet werden. Alternativ dazu können die oben beschriebenen Anschläge durch ein elastisches Element ergänzt bzw. mit einer elastischen Schicht versehen werden, um eine feder-elasti- sehe Wirkung zu entfalten.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Reversier-Hohlraum stirnseitig zu dem Antriebselement zwischen dem Antriebselement und dem Schlagwerksgehäuse, insbesondere zwischen der Antriebseinheit und dem Schlag- werksgehäuse, angeordnet. Der Reversier-Hohlraum kann dementsprechend auch stirnseitig zu dem mit dem Antriebselement gekoppelten Läufer angeordnet sein. Durch die stirnseitige Anordnung ist es möglich, dass die in
dem Reversier-Hohlraum erzeugbare Reversier-Luftfeder unmittelbar auf die Antriebseinheit und damit auf das Antriebselement wirkt.
Besonders vorteilhaft ist es, dass die in dem Reversier-Hohlraum erzeugbare Reversier-Luftfeder wenigstens zeitweise einer Bewegung des Antriebselements entgegenwirkt. Auf diese Weise kann das Antriebselement die Reversier-Luftfeder bei seiner Bewegung komprimieren bzw. aufladen. Nach einer Umkehr der Bewegungsrichtung des Antriebselements gibt die Reversier- Luftfeder ihre gespeicherte Energie ab und unterstützt die Gegenbewegung des Antriebselements.
Vorteilhafterweise ist die in dem Reversier-Hohlraum erzeugbare Reversier- Luftfeder wenigstens kurz vor einer Richtungsumkehr des Antriebselements der Bewegung des Antriebselements entgegenwirkend. Auf diese Weise trägt die Reversier-Luftfeder zu einem Abbremsen des Antriebselements kurz vor seiner Richtungsumkehr bei. Je nach Dimensionierung des Linear antriebe und der Reversier-Luftfeder kann dadurch unter Umständen sogar erreicht werden, dass eine Rückbewegung des Antriebselements allein durch die Reversier-Luftfeder bewirkt wird, während der Linearantrieb abgeschaltet ist. Ebenso ist es möglich, dass der Linearantrieb nur mit geringer Leistung die Rückbewegung des Antriebselements steuert. Gegebenenfalls ist hierfür eine Sensorik vorzusehen, die stets den genauen Aufenthaltsort des Antriebselements bzw. des Läufers ermittelt und auf diese Weise die Wirkung der Reversier-Luftfeder kontrolliert. Mit Hilfe der Sensorik und einer entsprechen- den Regelung kann der Linearantrieb angesteuert werden, damit das Antriebselement und der Läufer einen vorgegebenen Bewegungsverlauf nehmen.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Re- versier-Hohlraum ein "erster" Hohlraum, der vor dem Antriebselement vorgesehen ist, wobei der erste Hohlraum von einem Teil des Schlagelements durchdrungen ist.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn alternativ oder ergänzend zu dem ersten Hohlraum ein Reversier-Hohlraum als "zweiter" Hohlraum hinter dem Antriebselement vorgesehen ist und die in dem zweiten Hohlraum erzeugbare Reversier-Luftfeder bei einer entgegengesetzt zur Schlagrichtung gerichteten
Rückbewegung des Antriebselements wenigstens über einen Bewegungsweg des Antriebselements von mehT als 30 Prozent, insbesondere aber von mehr als 50 Prozent des gesamten Rückbewegungswegs des Antriebselements wirksam ist.
Während oben definiert wurde, dass ein Reversier-Hohlraum als "erster Hohlraum" vor dem Antriebselement angeordnet ist, wird der Reversier- Hohlraum hinter dem Antriebselement als "zweiter Hohlraum" bezeichnet. Diese unterschiedliche eindeutige Bezeichnung dient nur dem besseren Ver- ständnis und ist hinsichtlich der Funktion ohne weitere Bedeutung. Sowohl der erste Hohlraum vor dem Antriebselement als auch der zweite Hohlraum hinter dem Antriebselement dienen als "Reversier-Hohlraum" zur Aufnahme einer Reversier-Luftfeder, die die jeweilige Richtungsumkehr des Antriebselements und die entsprechende Beschleunigung in der Gegenrichtung unter - stützt. Der erste und der zweite Hohlraum können alternativ oder gemeinsam in dem Schlagwerk vorgesehen werden.
Die verhältnismäßig langgezogene Wirksamkeit der Reversier-Luftfeder im zweiten Hohlraum bedeutet, dass die hinter dem Antriebselement liegende Reversier-Luftfeder möglichst lang baut, so dass die Antriebseinheit nahezu über ihren gesamten Rückweg gegen diese Reversier-Luftfeder Kraft ausüben muss, um sie zu komprimieren. Während bei der Vorwärtsbewegung der Antriebseinheit in Schlagrichtung angestrebt wird, dass ein möglichst großer Teil der Antriebsenergie auf das Schlagelement übertragen wird und damit als Schlagenergie zur Verfügung steht, besteht bei der Rückbewegung der Antriebseinheit ein gewisser Energieüberschuss, weil eben bei der Rückbewegung kein Schlag ausgeführt werden muss. Dieser Energieüberschuss kann jetzt dazu genutzt werden, die hinter dem Antriebselement vorhandene Reversier-Luftfeder über einen möglichst langen Weg zu laden. Die in der Reversier-Luftfeder gespeicherte Energie steht dann bei der erneuten Vorwärtsbewegung zur Verfügung und unterstützt die Wirkung des Linearantriebs zur Schlagerzeugung. Auf diese Weise kann der Linearantrieb schwächer dimensioniert werden, so dass auch die aufzubringende Verlustleistung in den Stator-Spulen reduziert wird.
Die von den Spulen erzeugte Antriebskraft ist dem sie durchfließenden Strom proportional, während die Verlustleistung in den Spulen dem Quadrat
des Stromes proportional ist. Die Stoß- bzw. Schlagenergie ist proportional dem Produkt Kraft mal Weg. Verlängert man den Weg des Antriebselements, kann man die von dem Linear an trieb, d. h. den Statorspulen, zu erzeugende Kraft verkleinern, um die gleiche Energiewirkung zu erhalten. Dadurch steigt der Wirkungsgrad. Auch wenn die Luftfeder selbst Verluste erzeugt, bleibt die Gesamtbilanz im Vergleich zu einer elektrischen Zwischenspei- cherung der elektrischen Bremsenergie in einem Zwischenkreis positiv.
Vorzugsweise ist eine zeitweise verschließbare Belüftungsöffnung zwischen dem Reversier-Hohlraum und der Umgebung vorgesehen. Über die Belüftungsöffnung besteht eine Luftausgleichsmöglichkeit zwischen der Rever- sier-Luftfeder im Reversier-Hohlraum und der Umgebung, um Spaltverluste, die während der Verdichtungsphasen zwangsläufig auftreten, auszugleichen.
Vorzugsweise ist die Belüftungsöffnung in dem Schlagwerksgehäuse in einem Bereich vorgesehen, der bei einem Schlagzyklus von dem Antriebselement bzw. der Antriebseinheit überfahren wird. Das Öffnen und Schließen der Belüftungsöffnung kann auf diese Weise von dem Antriebselement bzw. der Antriebseinheit unmittelbar selbst übernommen werden, ohne dass es eines zusätzlichen Steuermechanismus bedarf.
Dementsprechend ist es besonders vorteilhaft, wenn die Belüftungsöffnung je nach Stellung des Antriebselements und /oder der Antriebseinheit während eines Schlagzyklus offen- oder verschließbar ist.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der das Schlagwerk als Luftfederschlagwerk realisiert ist. Dazu ist das Antriebselement als Antriebskolben und das Schlagelement als Schlagkolben ausgebildet. Die Koppeleinrichtung wird durch eine in einem Koppel-Hohlraum zwischen dem Antriebskolben und dem Schlagkolben wirksame Koppel-Luftfeder gebildet. Die Koppel-Luftfeder stellt die Energieübertragung von dem Antriebskolben auf den Schlagkolben sicher und gibt dem "Luftfederschlagwerk" in bekannter Weise seinen Namen. Luftfederschlagwerke sind aus dem Stand der Technik in vielfältiger Weise bekannt. Erfindungsgemäß neu ist jedoch die Möglichkeit, den Antriebskolben und/oder den Schlagkolben durch die zusätzliche Reversier-Luftfeder abzubremsen. Die Koppel-Luftfeder kann auch als Haupt-Luftfeder angesehen werden, weil ein erheblicher Teil der Schlag-
energie durch sie übertragen wird.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umschließt der Antriebskolben den Schlagkolben im Wesentlichen. Der Schlag- kolben weist einen Kolbenkopf auf, wobei - in Bezug auf die nach vorne gerichtete Schlagrichtung - der Koppel-Hohlraum mit der Koppel -Luftfeder zum Übertragen der Schlagenergie auf den Schlagkolben hinter dem Kolbenkopf angeordnet ist. Vor dem Kolbenkopf ist zwischen dem Antriebskolben und dem Schlagkolben ein weiterer Hohlraum für eine Rückhol-Luftfeder ausgebildet. Ein derartiges Hohlkolben-Schlagwerk mit doppelt wirkender Luftfeder ist an sich bekannt. Der Antriebskolben weist demnach eine Höhlung auf, in der sich der Schlagkolben hin- und herbewegen kann. Die Rückhol-Luftfeder stellt eine kontrollierte Rückbewegung des Schlagkolbens nach dem Schlag sicher. Der Schlagkolben ist dadurch auch bei seiner Rückbewe- gung zwingend mit der Bewegung des Antriebskolbens verbunden.
Damit vor dem Kolbenkopf der Hohlraum für die Rückhol-Luftfeder gebildet werden kann, ist es erforderlich, dass der Antriebskolben den Schlagkolben nicht nur in dem hinteren Bereich, nämlich im Bereich der Haupt-Luftfeder, sondern auch im vorderen Bereich, vor dem Kolbenkopf, umschließt. Lediglich ein sich von dem Kolbenkopf erstreckender Schaft des Schlagkolbens kann aus dem Antriebskolben herausgeführt werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wirkt die Reversier-Luftfeder nur ge- gen den Antriebskolben, nicht jedoch gegen den Schlagkolben. Der Schlagkolben ist dadurch frei beweglich und erhält seine sämtliche Bewegungsenergie über die Kopplung mit dem Antriebskolben.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung jedoch wirkt die Rever- sier-Luftfeder wenigstens in einer Bewegungsrichtung des Schlagkolbens auch oder sogar ausschließlich gegen den Schlagkolben. Bei dieser Variante kann der Schlagkolben insbesondere bei seiner Rückbewegung gegen die Reversier-Luftfeder laufen und sie aufladen, so dass die nicht mit dem Antriebskolben gekoppelte Reversier-Luftfeder die darauffolgende Vorwärtsbe- wegung des Schlagkolbens unterstützt.
Bei einer derartigen Ausführungsform kann es von Vorteil sein, wenn der
Schlagkolben mit einem Reversier-Kolben formschlüssig verbunden ist, so dass der Reversier-Kolben gegen die Reversier-Luftfeder wirkt. Es ist dann möglich, die Reversier-Luftfeder an einem von dem Schlagkolben entfernten Ort anzuordnen.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung wirkt die Reversier-Luftfeder wenigstens zeitweise axial gegen das Antriebselement oder das Schlagelement, wobei der Reversier-Hohlraum in einem Bereich vorgesehen ist, der nicht axial zu dem Antriebselement angeordnet ist. Daher ist eine Übertra- gungseinrichtung vorgesehen, mit der das Antriebselement mit der in dem Reversier-Hohlraum ausgebildeten Reversier-Luftfeder kraftmäßig gekoppelt werden kann. Der Reversier-Hohlraum kann auf diese Weise z. B. seitlich neben dem Antriebselement oder in einem anderen Bereich des Schlagwerks oder des von diesem angetriebenen Hammers angeordnet sein.
Diese Ausführungsform ermöglicht die freie Anordnung der Reversier-Luftfeder an einer Stelle, an der sich dafür geeignet Platz befindet. So kann der Reversier-Hohlraum mit der Reversier-Luftfeder z. B. neben dem Antriebselement angeordnet sein.
Diese und weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden nachfolgend anhand von Beispielen unter Zuhilfenahme der begleitenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 in schematischer Darstellung einen Schnitt durch ein als
Luftfederschlagwerk realisiertes Schlagwerk gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, mit einer Antriebseinheit in hinterer Extremstellung;
Fig. 2 das Luftfederschlagwerk von Fig. 1 , mit der Antriebseinheit in Mittelstellung;
Fig. 3 das Luftfederschlagwerk von Fig. 1 , mit der Antriebseinheit in vorderer Extremstellung;
Fig. 4 in schematischer Darstellung einen Schnitt durch ein als
Luftfederschlagwerk realisiertes Schlagwerk gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, mit einer Antriebseinheit in hinterer Extremstellung;
Fig. 5 das Luftfederschlagwerk von Fig. 4, mit der Antriebseinheit in Mittelstellung;
Fig. 6 das Luftfederschlagwerk von Fig. 4, mit der Antriebsein- heit in vorderer Extremstellung;
Fig. 7 in schematischer Darstellung einen Schnitt durch ein
Schlagwerk gemäß einer dritten Ausführungsform der
Erfindung; und
Fig. 8 in schematischer Darstellung einen Schnitt durch ein
Schlagwerk gemäß einer vierten Ausführungsform der
Erfindung.
Die Figuren 1 bis 3 und 4 bis 6 zeigen zwei unterschiedliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen, als Luftfederschlagwerk realisierten Schlagwerks in stark vereinfachter Schnittdarstellung. Insbesondere werden an sich bekannte Komponenten, wie elektrische Anschlüsse und Sensoren, weggelassen, da sie die Erfindung nicht betreffen. Das erfindungsgemäße Schlagwerk lässt sich besonders vorteilhaft in einem Bohr- und/ oder Schlaghammer einsetzen. Dabei sind verschiedene Schlagwerkstypen realisierbar, von denen insbesondere Luftfederschlagwerke besonders geeignet sind.
Die Fig. 1 bis 3 zeigen eine erste Ausführungsform der Erfindung mit einem durch einen elektrodynamischen Linearantrieb angetriebenen Luftfederschlagwerk. Dabei befindet sich eine später noch erläuterte Antriebseinheit bei der Darstellung in Fig. 1 in einer oberen/hinteren Extremstellung, bei Fig. 2 in einer Mittelstellung und bei Fig. 3 in einer unteren /vorderen Ex- tremstellung.
Das Luftfederschlagwerk weist einen Antriebskolben 1 auf, der einen Kolbenkopf 2 eines Schlagkolbens 3 umschließt. Der Schlagkolben 3 erstreckt sich mit einem Schaft 4 durch eine Vorderseite des Antriebskolbens 1 in eine Schlagkolbenführung 5 und kann in seiner vordersten Stellung gegen ein Werkzeugende 6 aufschlagen, wie in Fig. 3 gezeigt. Anstelle des Werkzeugendes 6 kann auch in bekannter Weise ein Zwischendöpper vorgesehen
sein.
Zwischen dem Antriebskolben 1 und dem Schlagkolben 3 ist ein erster Hohlraum 7 ausgebildet, in dem eine Haupt-Luftfeder 8 wirkt. Bei einer Vor- wärtsbewegung des Antriebskolbens 1 , der in einem Schlagwerksgehäuse 9 axial hin- und herbewegbar ist, baut sich in der Haupt-Luftfeder 8 ein Druck auf, der den Schlagkolben 3 nach vorne treibt, so dass er schließlich gegen das Werkzeugende 6 aufschlagen kann.
Bei einer Rückbewegung des Antriebskolbens 1 entsteht in der Haupt-Luftfeder 8 ein Unterdruck, der den Schlagkolben 3 mit seinem Kolbenkopf 2 zurücksaugt. Die Rückbewegung des Schlagkolbens 3 wird auch durch die Stoß-Rückwirkung am Werkzeugende 6 unterstützt. Weiterhin ist - in Schlagrichtung gesehen - vor dem Kolbenkopf 2 eine Rückhol-Luftfeder 10 in einem weiteren Hohlraum ausgebildet, die bei der Rückbewegung des Antriebskolbens 1 zur Wirkung kommt. Sie unterstützt ebenfalls die Rückbewegung des Schlagkolbens 3.
Zum Ausgleich von Luftverlusten in den Luftfedern 8, 10 sind auf der Innen- wand des Antriebskolbens 1 mehrere Luftausgleichstaschen 1 1 vorgesehen. Deren Funktionsweise ist aus dem Stand der Technik bekannt, so dass sich an dieser Stelle eine eingehendere Beschreibung erübrigt. Anstelle der Luftausgleichstaschen 1 1 sind auch andere Luftkanäle bekannt, die eine Belüftung der Luftfedern 8, 10 ermöglichen, um durch die Kompression bewirkte Luftverluste ausgleichen zu können.
Die oszillierende, lineare Hin- und Herbewegung des Antriebskolbens 1 wird durch einen elektrodynamischen Linearantrieb bewirkt. Zu diesem Zweck ist der Antriebskolben 1 mit einem Läufer 12 des Linearantriebs gekoppelt. Der Läufer 12 kann durch mehrere übereinandergeschichtete Elektrobleche gebildet werden und wird durch wechselnde Magnetfelder, die durch einen Stator 13 des Linearantriebs erzeugt werden, hin- und herbewegt. Die Funktionsweise eines derartigen Linearantriebs ist an sich bekannt und z. B. in der DE 102 04 861 Al beschrieben. Bei dem Linearmotor kann es sich z. B. um einen Reluktanzmotor mit außenliegendem Stator handeln.
Der Läufer 12 und der Antriebskolben 1 bilden eine einstückige Antriebsein-
heit.
Vor dem Antriebskolben 1 ist zwischen dem Antriebskolben 1 und dem Schlagwerksgehäuse 9 ein zusätzlicher, zweiter Hohlraum 14 ausgebildet, der bei den in den Fig. 1 und 2 gezeigten Stellungen über Belüftungsöffnungen 15 mit der Umgebung in Verbindung steht.
Bei der in Fig. 3 gezeigten Stellung der Antriebseinheit hat der Läufer 12 den Antriebskolben 1 soweit nach vorne bewegt, dass der Antriebskolben 1 die Belüftungsöffnungen 15 überfahren hat. Dadurch werden die Belüftungsöffnungen 15 verschlossen und der zweite Hohlraum 14 von der Umgebung getrennt. Dementsprechend bildet sich in dem zweiten Hohlraum 14 eine Luftfeder aus, die gegen den Antriebskolben 1 wirkt und seine Bewegung in Vorwärts- bzw. Schlagrichtung abbremst.
Damit die Luftfeder in geeigneter Weise in dem zweiten Hohlraum 14 erzeugt werden kann und insbesondere nicht gegen den Schlagkolben 3 wirkt, der ja möglichst ungehindert auf das Werkzeugende 6 aufschlagen soll, bildet der Antriebskolben 1 an seiner Vorderseite eine Kolbenfläche 16. Die Kolbenflä- che 16 komprimiert die Luftfeder im zweiten Hohlraum 14.
Je nach Dimensionierung ist es möglich, dass zu dem Zeitpunkt, zu dem die Belüftungsöffnung 15 durch den Antriebskolben 1 verschlossen wird, der Stator 13 stromlos geschaltet wird. Das Abbremsen der aus dem Antriebs- kolben 1 und dem Läufer 12 bestehenden Antriebseinheit erfolgt dann ausschließlich durch die Luftfeder im zweiten Hohlraum 14. Da sich die komprimierte Luftfeder anschließend wieder entspannen will, drückt sie zudem die Antriebseinheit entgegen der Schlagrichtung zurück. Dann kann - bei Bedarf - der Stator 13 wieder erregt werden, um die Rückbewegung zu unterstüt- zen.
Die Luftfeder im zweiten Hohlraum 14 sollte derart positioniert bzw. dimensioniert werden, dass die Antriebseinheit am unteren Umkehrpunkt abgefangen wird, bevor der Schlagkolben 3 auf das Werkzeugende 6 aufschlägt.
Entsprechend zu der Luftfeder im zweiten Hohlraum 14 ist auf der gegenüberliegenden Seite, hinter dem Antriebskolben 1 bzw. hinter der gesamten
Antriebseinheit ein dritter Hohlraum 17 zwischen dem Antriebskolben 1 bzw. der Antriebseinheit und dem Schlagwerksgehäuse 9 ausgebildet. Das Schlagwerksgehäuse 9 ist in den Figuren lediglich schematisch dargestellt. Selbstverständlich kann das Schlagwerksgehäuse 9 aus verschiedenen Bau- dementen zusammengefügt sein bzw. eine andere Gestaltung als die in den Figuren gezeigte aufweisen.
Der dritte Hohlraum 17 steht bei den in den Fig. 2 und 3 gezeigten Stellungen der Antriebseinheit über Belüftungsöffnungen 18 mit der Umgebung in kommunizierender Verbindung.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Stellung hingegen hat die Antriebseinheit die Belüftungsöffnungen 18 überfahren und damit verschlossen. Dementsprechend ist der dritte Hohlraum 17 von der Umgebung getrennt, so dass sich in ihm eine Luftfeder ausbilden kann, wie insbesondere in Fig. 1 gezeigt. Diese Luftfeder bremst die Bewegung der Antriebseinheit bei ihrer Rückbewegung ab. Je nach Dimensionierung kann die Luftfeder im dritten Hohlraum 17 stark genug sein, um die Rückbewegung vollständig abzubremsen und in eine Gegenbewegung, nämlich eine Bewegung in Schlagrichtung zu wandeln. Auch hier kann der Stator 13, ähnlich wie bei der Wirkung der Luftfeder im zweiten Hohlraum 14, abgeschaltet bzw. nur bedarfsweise zugeschaltet werden.
Die Luftfeder in dem dritten Hohlraum 17 sollte möglichst lang gebaut wer- den, so dass sie über einen längeren Bewegungsweg der Antriebseinheit komprimiert wird. Bei der Rückbewegung der Antriebseinheit ist im Vergleich zur Schlagbewegung verhältnismäßig wenig Energie erforderlich, die dann in der Luftfeder im dritten Hohlraum 17 gespeichert werden kann. Die gespeicherte Energie steht anschließend bei der Vorwärtsbewegung des An- triebskolbens 1 zur Verfügung, um ihn gegen den Schlagkolben 3 zu bewegen. Die in der Luftfeder des dritten Hohlraums 17 gespeicherte Energie unterstützt somit den Linearantrieb, der entweder schwächer dimensioniert werden kann oder mit dem zusammen eine deutlich höhere Schlagenergie erreicht werden kann.
Die Fig. 4 bis 6 zeigen eine zweite Ausführungsform der Erfindung, die sich hinsichtlich der Gestaltung des elektrodynamischen Linearantriebs von der
in den Fig. 1 bis 3 gezeigten ersten Ausführungsform unterscheidet. Gleiche Bauelemente werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Fig. 4 zeigt die Antriebseinheit in einer oberen /hinteren Extremstellung, Fig. 5 in einer Mittelstellung und Fig. 6 in einer unteren/vorderen Extremstellung.
Ein derartiger Linearantrieb kann z. B. durch einen Magnetmotor realisiert werden.
Der Antriebskolben 1 trägt einen Läufer 19 in Form von zwei schwert- bzw. plattenförmigen Fortsätzen 20. Auf den Fortsätzen 20 sind Magnete 21 aus seltenen Erden befestigt, die jeweils in einem Stator 22 hin- und herbeweglich sind.
Der Läufer 19 kann alternativ bei einer anderen, nicht dargestellten Ausfüh- rungsform der Erfindung mit einem ringförmigen Fortsatz versehen sein, der in einem ebenfalls ringförmigen Stator beweglich ist.
Hinter dem Antriebskolben 1 ist ein dritter Hohlraum 23 im Zusammenwirken mit dem Schlagwerksgehäuse 9 ausgebildet, in dem eine Luftfeder er- zeugt werden kann. Wie oben bereits erläutert, ist der Begriff des Schlagwerksgehäuses 9 weit zu verstehen. Es kommt lediglich darauf an, dass im Zusammenwirken mit dem Antriebskolben 1 bzw. der aus dem Antriebskolben 1 und dem Läufer 19 gebildeten Antriebseinheit ein Hohlraum erzeugt werden kann, in dem sich eine Luftfeder ausbilden kann.
In dem Läufer 19 ist eine Belüftungsöffnung 24 ausgebildet, die bei der in Fig. 5 gezeigten Stellung mit einer in dem Schlagwerksgehäuse 9 vorhandenen Belüftungsöffnung 25 in Überdeckung gebracht wird, so dass Luft aus der Umgebung in den dritten Hohlraum 23 einströmen kann, um die vorher bei der Kompression der Luftfeder verlorene Luft wieder aufzufüllen. Bei den in den Fig. 4 und 6 gezeigten Stellungen stehen die Belüftungsöffnungen 24 und 25 nicht übereinander, so dass der dritte Hohlraum 23 von der Umgebung getrennt ist.
Das Zusammenwirken von Antriebskolben 1 und Schlagkolben 3 sowie die Funktionsweise des zweiten Hohlraums 14 entspricht der ersten Ausführungsform, so dass auf eine erneute Beschreibung verzichtet wird.
Fig. 7 zeigt einen schematischen Schnitt durch eine dritte Ausführungsform der Erfindung. Im Gegensatz zu den oben anhand der Fig. 1 bis 6 beschriebenen Luftfederschlagwerken betrifft die dritte Ausführungsform gemäß Fig. 7 ein Schlagwerk, bei dem die Energie für die Schlagbewegung nicht durch eine Luftfeder übertragen werden kann. Dementsprechend kann dieses Schlagwerk nicht als Luftfederschlagwerk bezeichnet werden.
Das Schlagwerk wird in ähnlicher Weise wie die oben beschriebenen Luftfederschlagwerke durch einen elektrodynamischen Linearantrieb angetrieben. Es weist eine Antriebseinheit 30 auf, die die Funktionen eines Antriebselements und eines Läufers des Linearantriebs miteinander vereint. Die Antriebseinheit 30 ist in Fig. 7 nur schematisch dargestellt. So ist z. B. der Aufbau des Läufers nicht detailliert gezeigt. Bezüglich des Läufers gelten aber die oben für den Läufer 12 (Fig. 1) oder den Läufer 19 (Fig. 4) be- schriebenen Einzelheiten.
Die Antriebseinheit 30 ist analog zu der oben beschriebenen Weise in einem rohrförmigen Schlagwerksgehäuse 9 hin- und herbewegbar, wobei die Bewegung durch den Stator 13 bewirkt wird.
Die Antriebseinheit 30 ist hülsenförmig aufgebaut und weist in ihrem Inneren einen hohlen Bereich auf, in dem der ein Schlagelement bildende Schlagkolben 3 hin- und herbewegbar ist. Der Schlagkolben 3 schlägt dann in bekannter Weise gegen das in Fig. 7 nicht gezeigte Werkzeug.
Zur Übertragung der Bewegung der Antriebseinheit 30 auf den Schlagkolben 3 ist eine Koppeleinrichtung vorgesehen. Die Koppeleinrichtung weist einen von dem Schlagkolben 3, insbesondere von dem Kolbenkopf 2 des Schlagkolbens 3 getragenen Mitnehmer 31 auf, der in Ausnehmungen der Antriebsein- heit 30 in Arbeitsrichtung des Schlagwerks hin- und herbewegbar ist. Der Mitnehmer 31 kann z. B. durch einen den Kolbenkopf 2 des Schlagkolbens 3 durchdringenden Querbolzen gebildet werden, wie in Fig. 7 gezeigt.
Die Ausnehmungen in der Antriebseinheit 30 werden durch zwei sich axial erstreckende Längsnuten 32 gebildet, die die Wandung der hohlzylindri- schen Antriebseinheit 30 durchdringen.
An den Stirnselten der Längsnuten 32 werden untere Anschläge 33 und obere Anschläge 34 gebildet, die die Längsbewegung des Mitnehmers 31 in den Längsnuten 32 begrenzen.
Bei einer Hin- und Herbewegung der Antriebseinheit 30 wird somit der Schlagkolben 3 über die jeweiligen Anschläge 33, 34 sowie den Mitnehmer 31 zwangsweise geführt. Bei einer Vorbewegung der Antriebseinheit 30 (in Fig. 7 nach unten) in Richtung des Werkzeugs (Arbeitsrichtung) drücken die oberen Anschläge 34 den Mitnehmer 31 mit dem Schlagkolben 3 nach un- ten, wobei der Schlagkolben 3 kurz vor dem Auftreffen auf das Werkzeug bzw. den zwischengeschalteten Döpper frei fliegen sollte, um schädliche Rückwirkungen auf die Antriebseinheit 30 und den Mitnehmer 31 zu vermeiden. Bei der danach folgenden Rückbewegung der Antriebseinheit 30 gelangen die unteren Anschläge 33 in Kontakt mit dem Mitnehmer 31 und ziehen den im Übrigen von dem Werkzeug zurückprallenden Schlagkolben 3 entgegen der Arbeitsrichtung zurück. Danach wiederholt sich der Arbeitszyklus, indem die Antriebseinheit 30 mit den oberen Anschlägen 34 den Schlagkolben 3 erneut gegen das Werkzeug beschleunigt.
Die Koppeleinrichtung wird bei dieser Ausführungsform somit nicht durch eine Luftfeder, sondern durch die Längsnuten 32, die Anschläge 33, 34 und den Mitnehmer 31 gebildet. Selbstverständlich dient der beschriebene Aufbau lediglich der Erläuterung. Es sind zahlreiche andere Möglichkeiten für den Fachmann erkennbar, wie die Bewegung der Antriebseinheit 30 auf den Schlagkolben 3 übertragen werden kann.
Fig. 8 zeigt in schematischer Darstellung einen Schnitt durch ein Schlagwerk gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung.
Der grundsätzliche Aufbau des Schlagwerks ist dabei zu dem Schlagwerk gemäß Fig. 7 identisch. Ergänzend ist der Kolbenkopf 2 des Schlagkolbens 3 über eine Kolbenstange 35 mit einem Reversier-Kolben 36 formschlüssig gekoppelt. Der Reversier-Kolben 36 ist in einem z. B. zu dem Schlagwerksgehäuse 9 gehörenden Reversier-Zylinder 37 entsprechend der Bewegung des Schlagkolbens 3 hin- und herbewegbar.
Der Reversier-Kolben 36 und der Reversier-Zylinder 37 umschreiben einen
Reversier-Hohlraum 38, in dem eine Reversier-Luftfeder 39 ausgebildet ist.
Ähnlich wie die Reversier-Luftfeder in dem Reversier-Hohlraum 17 bei der in den Fig. 1 bis 3 gezeigten ersten Ausführungsform eine Rückbewegung des dort gezeigten Antriebskolbens 1 bremst und später eine Vorwärtsbewegung unterstützt, wird die in Fig. 7 gezeigte Reversier-Luftfeder 39 bei einer Rückbewegung des Schlagkolbens 3 gespannt, so dass sie eine Vorwärtsbewegung des Schlagkolbens 3 nachfolgend unterstützen kann.
Der Ausgleich von Luftverlusten der Reversier-Luftfeder 39 erfolgt in ähnlicher Weise wie bei den oben beschriebenen Ausführungsformen, so dass auf eine erneute detaillierte Beschreibung an dieser Stelle verzichtet werden kann.
Auch für die Reversier-Luftfeder 39 gilt, dass es besonders zweckmäßig sein kann, wenn sie über einen längeren Bewegungsweg des Schlagkolbens 3 aufgeladen wird. Das Komprimieren der Reversier-Luftfeder 39 erfolgt bei der in Fig. 8 gezeigten vierten Ausführungsform besonders zuverlässig, weil die Zwangsbewegung des Schlagkolbens 3 durch die von der Koppeleinrichtung bewirkte formschlüssige Kopplung zwischen Antriebseinheit 30 und Schlagkolben 3 erreicht wird.
Aufgrund der Erfindung ist es möglich, den Wirkungsgrad eines linear angetriebenen elektrodynamischen Schlagwerks zu vergrößern. Durch das Zwi- schenspeichern von Energie in den Luftfedern kann eine gleichmäßigere elektrische Leistungsaufnahme mit geringen Lastspitzen erreicht werden. Außerdem werden stoßartige Belastungen auf das Hammergehäuse in den Umkehrpunkten der Antriebseinheit vermieden. Durch das erfindungsgemäße Schlagwerk kann eine größere Abbruchleistung erreicht werden, bei gleichzeitig geringeren Hand-Arm-Schwingungen.